高分辨率直流电法探测在隧道施工超前地质预报中的应用

高分辨率直流电法探测在隧道施工超前地质预报中的应用闫高翔

【摘要】介绍隧道超前地质预报中高分辨率直流电法探测的基本原理、工作面的电极布置及数据处理.结合襄渝二线宝石山隧道的超前地质预报工作,说明其基本工作步骤及预报结果.理论及实际验证表明,高分辨率直流电法在地下水预测方面,具有较理想的效果.

【期刊名称】《铁道勘察》

【年(卷),期】2007(033)001

【总页数】3页(P42-44)

【关键词】隧道施工超前地质预报;地下水;高分辨率电法

【作者】闫高翔

【作者单位】中铁隧道勘测设计院有限公司,河南洛阳,471009

【正文语种】中文

【中图分类】U2

1 概述

隧道超前地质预报中采用的高分辨率直流电法探测为全空间电法勘探方法。该方法以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建立电场，电流通过布置在隧道内的供电电极，在围岩中建立起全空间的稳定电场。通过研究电场或电磁场的分布规律，预报工作面前方含、导水构造分布和发育情况。

该方法进行超前探测时必须采用至少3个以上的发射电极，进行空间交汇，以获

得全方位的信息并加以区分，压制不需要的信号，以达到突出隧道前方地质异常体的目的，因而也称为“三极空间交汇探测法”。

2 工作原理

采用点源三极装置进行隧道内数据采集工作，无穷远电极对隧道内测量电极的影响可以忽略不计，故其电场分布可近似为点电源电场。供电电极位于隧道中，其电场呈全空间分布，可利用全空间电场理论对数据进行分析解释。根据点电源场理论，点电源在均匀全空间的电力线呈射线发散，等电位面为以供电点为球心的球面，电位差则是以供电点为球心的同心球壳，球壳厚度应为测量电极间距(如图1所示)。如图2所示，均匀介质中，当A点供电时，测量电极M、N所产生的信号是由于图2中阴影部分的影响。在全空间条件下，该阴影包含供电点前后、左右、上下

等各个方向的体积。由于阴影所包含区域的影响可以反映到MN处，前方的异常

信息也可以反映到MN处。如图3所示，堵头前方某位置的异常会使测量电位差

曲线产生畸变，但该畸变在堵头内部并不能直接测量。根据电法勘探的体积效应，畸变的实质是球状等位面发生畸变，即MN所在的球壳发生变形。根据等值性原理，在掘进巷道内的测量点上也可以观测到这种变化，所不同的是幅度可能会降低，如图3中实线所示。

图1 点电源电位及电力线分布

图2 点电源球壳原理

图3 电法勘探原理示意

实际上，隧道内三极装置探测的是勘探体积范围内包括巷道影响在内的全空间范围的岩石、构造等各种地质信息。

根据视电阻率微分公式

在均匀地层中，视电阻率是以测量电极所在地段的真电阻率为基础，并与测量电极所在地段MN间的电流密度jmn成正比。这说明实测视电阻率在地层均匀且无地质构造影响时，其曲线波动主要受MN电极所在地段的地层真电阻率的影响。即

此时的视电阻率曲线反映的是堵头后方MN电极附近巷道的影响。

3 电极布置

在工作面前方布置第一个供电电极，形成一个点电源场；同时，在同一直线上向掘进后方距离第一个电极a米处，均匀布置第二个、第三个和第四个供电电极，形

成四个供电点，布置无穷远电极B在距离堵头b处(见图4)。

图4 电极布置

具体施工时，依据上法布置供电电极。布置好以后，供电电极、无穷远电极及仪器均固定不动，测量电极M、N根据设计的观测系统由仪器自动切换。先接通第1

供电点A1，对每个测量点M1、N1，记录供电电流、电位差、桩号、电极距等数据；移动测量电极到M2、N2位置，测量所有数据；然后移动测量电极到M3、

N3位置继续测量，直至所有MN测量完成。断开A1，接通A2，重复以上过程，记录A2点源产生的供电电流、电位差、桩号、电极距等数据；接通A3供电电源，并记录A3点源产生的供电电流、电位差、桩号、电极距等数据。断开A3，接通

A4供电电源，重复以上过程，直到测量完成所有的设计观测点。

4 数据处理及资料成果

施工现场采集的数据，通过专门的资料处理软件系统，增强有效信号，压制干扰信号，提高信噪比，使地质异常体能够清晰成像，得出地质等值线图。从地质等值线图上，可直观地确定地质异常体，特别是含水导水构造体的位置、规模。

5 应用实例

襄渝二线宝石山隧道位于陕西省南部，属大巴山脉，地质条件复杂，岩性以灰岩为主，地下水发育。为查清宝石山隧道进口工作面前方水文地质条件，保证隧道快速、

安全掘进，在平导PDK417+977处，利用高分辨率直流电法仪对平导前方地质条件进行了探测，超前探测48 m，有效探测距离为34 m。探测结果见图5。

图5 宝石山隧道进口平导01超前探测结果

图5中数字代表A1发射极前方距离，颜色较浅部分为低阻异常区。从超前探测图上可以看出：A1发射极前方14 m范围为探测盲点，是由于探测仪的工作特性形

成的。掌子面前方2.5～4 m为低阻异常区，其余区域区段均为高阻区。从岩性、区域地质及已开挖段地质条件综合分析判断，工作面前方2.5～4 m存在一含水构造，其余区域区段不含水。

由于探测发现异常，尽管在PDK417+977处岩体较完整，围岩分级为Ⅱ～Ⅲ级，但为了验证探测结果和确保前方开挖安全，利用5 m长钎进行了超前探测。探测

结果表明，距离掌子面前方约2 m的位置有一出水点。该点揭露后，开始水压很大，水从孔中喷出，随着水的释放，水压逐渐减小，其他高阻地段开挖后均无异常，开挖情况与探测结果基本吻合。

6 存在的问题及思考

目前的隧道超前地质预报方法根据其原理可分为地质分析法、超前钻孔法、超前导坑法及物探法等。物探法中应用比较广泛的包括TSP、地质雷达、红外探水等。

与地质分析法、超前钻孔法、超前导坑法比较，物探方法具有快捷方便、对隧道施工干扰小的特点，但受外界环境及人为影响大，具有多解性，预报准确率低。

同时，各种预报方法对不同地质体的探测又存在灵敏度不同的特点，例如，对于规则断面的预报，如断层构造、软弱界面等，TSP具有良好的预报效果；对于溶洞

等空穴，地质雷达的探测精度比较高；但对于地下水的预报，目前还没有一种比较理想的仪器方法。

高分辨率直流电法仪在隧道施工超前地质预报中的应用，特别是在对地下水预报方面，为超前地质预报提供了一种新的尝试，也取得了一定的成绩，但仍存在很多不